Методическая разработка урока получения новых знаний МДК 03.01 «Геодезия с основами картографии и картографического черчения» по теме: «Эволюция угломерных приборов. История возникновения теодолита». Методическая разработка включает в себя план проведения занятия и презентацию на 29 слайдов. Направлена на преподнесение нового материала учащимся в развлекательной форме с применением средств ИКТ. Включает исторические сведения о возникновении, развитии, способах и методах работы с угломерными приборами, материалы для изучения устройства современных оптических теодолитов.

Методическая разработка занятия

МДК 03.01 «Геодезия с основами картографии и картографического черчения»

«Эволюция угломерных приборов. История возникновения теодолита»

Цель: Изучить конструкцию теодолита 4Т30П, рассмотреть устройство основных частей прибора, ознакомиться с их назначением, с классификацией теодолитов, изучить принцип измерения горизонтальных углов теодолитом.

Задачи:

• Образовательные:

- расширить знания учащихся об измерительных приборах;

 - познакомить с теодолитом, его основными рабочими частями, их назначением;

- дать начальные знания по работе с  геодезическими приборами;

 - формировать профессиональный интерес;

• Развивающие:

- развивать внимание, логическое мышление, память, познавательный интерес, самостоятельность в решении поставленных задач, культуру речи;

 - развивать коммуникативные способности при работе в группах;

 - активизировать учащихся  к познавательной, творческой  деятельности;

• Воспитательные:

- активировать познавательную деятельность студентов;

- повысить интерес и привить любовь к изучаемому предмету;

- воспитание дисциплинированности, добросовестности, бережного отношения к инструментам;

- воспитывать уважение к своим товарищам.

Тип занятия:  урок изучения нового материала.

Вид занятия: лекция

Форма урока: групповая.

Оборудование: тетрадь, ручки разных цветов, листы опросника.

ТСО:  мультимедийный проектор, компьютер, экран, презентация, теодолит 4Т30П, штатив, набор угломерных приборов (эккер, эклиметр, буссоль, гониометр)

План урока

I. Организационный момент:

Приветствие.

 Психологический настрой на занятие.

II. Вводная часть:

Обозначение учащимися темы занятия (проблема).

 Целеполагание.

III. Основная часть:

Лекция «Герон Александрийский и его диоптра»;

Лекция «Самые первые угломерные приборы»;

Лекция «История возникновения теодолита»;

Лекция «Теодолит в России»;

Лекция «Устройство теодолита 4Т30П»;

Лекция «Принцип измерения горизонтальных углов»;

Лекция «Типы теодолитов».

IV. Итог занятия.  Рефлексия.

Ход занятия

I. Организационный момент (слайд 1): 

- Здравствуйте, ребята! Я рад встрече с Вами!

- Давайте поприветствуем друг друга. Для этого просто улыбнитесь друг другу. Я надеюсь, что сегодня в течение всего урока будет  присутствовать доброжелательная атмосфера.

Проверка посещаемости, запись урока в журнал, проверка готовности к уроку.

II. Вводная часть. Обозначение темы урока:

- Сегодня у нас не совсем обычный урок. Я предлагаю Вам совершить экскурс в историю. Мы все вместе попробуем заглянуть в далекое прошлое и шаг за шагом проследить всю цепочку эволюции угломерных приборов - от самых древних до высокоточных современных образцов. Мы попробуем представить как проводились измерения углов в прошлом, а на примере современного угломерного прибора изучим принцип измерения горизонтальных углов.

А начать сегодняшнее занятие я хочу процитировав известного американского ученого Генри Сартона: (слайд 2)

«История научных инструментов – это история всего лучше приближающая к пониманию научного прогресса, но она полна трудностей; каждый инструмент развивался постепенно; ни один из них не был создан в одно время и почти всегда не одним человеком»

- Все ли из Вас согласны с этим высказыванием? Если нет, то по мере сегодняшнего нашего путешествия, я думаю, Вы найдете подтверждение этих слов (слайд 3)

С древнейших времен почти во всех областях деятельности человек использовал специальные приспособления для наблюдений, измерений, взвешивания и счета. По мере развития общества эти приборы изменялись и совершенствовались.

III. Основная  часть:

Лекция «Герон Александрийский и его диоптра»:

- Как Вы думаете, когда появился первый известный науке угломерный инструмент? Как давно? Как он выглядел?И кто был его изобретатель (ответы учащихся) (слайд 4).

Возникновение первого угломерного прибора неразрывно связано с именем древнего ученого Герона Александрийского (слайд 5). Герон был выходцем из Египта и проживал в городе Александрия. У своих современников он снискал славу искусного изобретателя. Дата рождения этого ученного и изобретателя не известна, но существует предположение, что это 10-75 год I века нашей эры.

Чтобы убедиться в этом нужно прочитать его труд «О диоптре». Данная работа посвящена методам проведения разных геодезических измерений, при этом замеры земли стали возможны при использовании прибора, который изобрёл Герон – диоптры.

- А вот как выглядела та самая диоптра Герона (слайд 6). В верхней части прибора расположена круглая площадка, в плоскости которой вращается так называемая алидада - изогнутая на двух концах пластинка. С одной ее стороны в изогнутой части имеется точечное отверстие - глазной диоптр, а в другой щель с мушкой или тонким волоском - предметный диоптр. При рассмотрении через глазной диоптр мушка или волосок должны проектироваться на визируемую цель - это достигается вращением алидады в одной плоскости, которая, в свою очередь, также может поворачиваться с помощью специального регулирующего винта. Диоптра позволяла с высокой точностью измерять углы как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.

- О многих достижениях Герона, в том числе и о диоптре мы можем судить, к сожалению, только по описаниям и рисункам его учеников. Поскольку работы самого автора пострадали при пожаре в Александрийской библиотеке, где он работал в последние годы жизни. Однако, надо сказать, не только диоптрой ограничивались угломерные измерения в древности (слайд 7).

Лекция «Самые первые угломерные приборы»:

Особняком развивались угломерные астрономические инструменты, которые применялись с древнейших времен, с начала освоения земледелия, когда нужно было планировать сельскохозяйственные работы. Для этого нужно было определять моменты равноденствий и солнцестояний. Одновременно и нужды кочевого животноводства требовали освоения методов ориентирования. А для этого изучались звёзды, их движение, движение Солнца и Луны (слайд 8).

Самым древним таким угломерным инструментом был – гномон.

Изобретен он был в Вавилоне, а использовался для определения высоты солнца над горизонтом и представлял собой вертикальный столб на горизонтальной площадке. С помощью этого простейшего приспособления можно было отмечать дни солнцестояний, а значит фиксировать продолжительность года, а также определять широту и долготу места.

- Что он Вам напоминает, ребята? Где Вы быть может уже видели нечто подобное? (ответы учащихся) (слайд 9).

Не менее древнейшим инструментом была изобретенная более двух тысяч лет назад  армиллярная сфера. Применялась в качестве упрощенного небесного глобуса, наглядно представляющего движения различных небесных светил, а также основные точки и линии небесной сферы. Использовалась уже в III в. до н. э. Изобретение армиллярной сферы приписывается Фалесу или Анаксимандру (слайд 10).

Однако морякам такие инструменты были бесполезны. Потому появляются ручные астрономические инструменты. Так появились: астролябия, градшток, квадрант, октант, секстант (слайд 11).

Астролябия — один из старейших астрономических инструментов, появившийся в Древней Греции. Этот старинный инструмент сотворен более двух тысячелетий тому назад, когда люди полагали, что Земля – это центр Вселенной. Еще Гиппарх применял ее для определения широт и долгот звезд. Астролябию иногда называют самым первым компьютером. Несомненно, это устройство с глубочайшей загадочностью и красотой. Доподлинно известно, что окончательный вид астролябии был разработан в IV в. н. э. Пика своей популярности в Европе астролябия достигла в эпоху Возрождения, в XV—XVI столетиях (слайд 12).

Инструмент впервые был описан в 1342 году математиком Леви Бен Гершоном. Градшток, арбалет, кросс-стафф, посох Иакова или палочка Леви – все это название одного простого, но хитроумного угломерного инструмента, необходимого для быстрой оценки угла возвышения звезды над уровнем горизонта. Он представлял собой деревянный брусок (флэш), разделённый на градусы, и поперечный брусок (марто). Передвигая поперечный брусок, штурман узнавал высоту Полярной звезды или Солнца над горизонтом и вычислял местонахождение корабля. При шторме этим навигационным
прибором пользоваться было невозможно, и все же градшток просуществовал достаточно долго, пока в конце XVIII в. англичанин Джон Дэвис не изобрел квадрант (слайд 13).

Квадрант (лат. quadrans, -antis, от quadrare - сделать четырехугольным) — астрономический инструмент, для определения высот светил. Являлся ранним прототипом секстанта и состоял из пластины с лимбом в четверть окружности для отсчёта углов и планки для фиксации угла, прикреплённой к этой пластине одним концом (слайд 14).

Шкала октанта составляет 1/8 часть окружности. Октант применялся в мореходной астрономии наряду с квадрантом, но затем практически вышел из употребления (слайд 15).

Длина шкалы секстанта составляет 1/6 от полного круга или 60°, название секстанта происходит с латыни (sextans, род. sextantis — шестая часть). Изобрели его в 1730 году два человека независимо друг от друга: английский математик Джон Хэдли и американский изобретатель Томас Годфри. Секстант вытеснил астролябию как главный навигационный инструмент. На современном морском судне до сих пор можно найти секстант или даже два, правда используются они не часто, в основном для поддержания практических навыков у судоводителей.

- Конечно, это далеко не все примеры угломерных приспособлений известных человечеству. Может быть, Вы знаете еще какие-либо примеры? (ответы учащихся) Я предлагаю посмотреть те угломерные инструменты, что есть в нашей коллекции, и уже опираясь на полученную информацию, подумать каков их принцип работы (раздаются образцы геодезических инструментов из коллекции). Думаю, что теперь мы с Вами готовы к тому, чтобы заняться изучением такого прибора как теодолит (слайд 16).

Лекция «История возникновения теодолита»:

У теодолита было довольно много пращуров, но все эти инструменты использовались для измерения либо вертикальных, либо горизонтальных углов. Объединение двух измерительных приборов в одном, способном измерить оба угла одновременно, было лишь вопросом времени. Грегориус Рейш показал такой инструмент в приложении к книге "Margarita Philosophica", опубликованной в 1512 году в Страсбурге. Прибор был описан в приложении Мартином Валдсеемюллером, топографом-картографом из Ринеланда, изготовившим его в том же году. Однако, это был пока еще тоже прототип теодолита, который Валдсеемюллер назвал полиметром (слайд 17).

Первое упоминание слова "теодолит" или "теодолитус" (что в переводе с греческого означает theomai смотрю, вижу и dolichos - длинный, далеко) встречается в руководстве по землемерию, геометрической практике "Pantometria" (1571 год), написанной Леонардом Диггесом. Она была опубликована посмертно его сыном, Томасом Диггесом. Диггес-старший изобрел инструмент под названием пантометр, который представлял собой некую астролябию с вертикальным кругом, и мог измерять как вертикальные, так и горизонтальные углы (слайд 18).

Существует некоторая неразбериха в том, какому инструменту было впервые дано название "теодолит". Первым инструментом, похожим на настоящий теодолит, был, по всей видимости, прибор, созданный Джошуа Хабермелем (Эразм Хабермельский) в 1576 в Германии. Он был объединен с компасом и треногой. Для наблюдения объекта при измерении горизонтальных углов использовалась алидада. Со временем простую алидаду грубой наводки начала заменять зрительная труба. Впервые это сделал Джонатан Сиссон в 1725 году. Это был первый теодолит, принципиально похожий на современный (слайд 19).

Теодолит стал современным точным инструментом в 1787 году, когда Джесси Рамсден представил свой знаменитый теодолит, сконструированный по заказу Британского геодезического общества. Он смастерил его сам, с помощью точного разделительного механизма, изготовленного собственноручно. Именно теодолит Рамсдена стал прообразом современного теодолита. Теодолит Рамсдена использовался несколько лет для изготовления с помощью триангуляции карты всей южной Британии.

- А как Вы думаете, когда теодолит появился у нас в стране, и с чьим именем было связано это событие (ответы учащихся) (слайд 20).

Лекция «Теодолит в России»:

В России первый теодолит появился благодаря Петру Первому. По его указанию он был доставлен из Франции. Живший в Москве голландец Франц Тиммерман обучил 16-летнего Петра как пользоваться "загадочным" теодолитом, а также обучил его угловому измерению высот светил с помощью астролябии (слайд 21).

После этого в России началось изготовление угломерных инструментов. На этой ниве трудились великие русские умы того времени - М. В. Ломоносов и  И. П. Кулибин. В конце XVIII - начале XIX века геодезические инструменты производились в Петербурге в мастерских Академии наук, Главного штаба и Пулковской обсерватории. К сожалению, наладить промышленный их выпуск так и не удалось: подобные приборы в основном импортировали (слайд 22).

В настоящее время крупнейшим производителем теодолитов в России является Уральский оптико-механический завод (УОМЗ), который входит в число старейших промышленных предприятий России.

- Перед Вами, выставлен образец теодолита Уральского оптико-механического завода – 4Т30П. Этот теодолит широко используется при производстве топографо-геодезических работ в России. Поэтому предлагаю на его примере изучить устройство современных оптических теодолитов (слайд 23) (демонстрация слайдов сопровождается показом частей на самом теодолите).

Лекция «Устройство теодолита 4Т30П»:

1 - головка штатива;

2 – подставка (трегер);

3 – подъемный винт;

4 – наводящий винт алидады;

5 – закрепительный винт алидады;

6 – наводящий винт зрительной трубы;

7 – окуляр зрительной трубы;

8 – колпачок;

9 – фокусировочный винт (кремальера);

10 – закрепительный винт зрительной трубы;

11 – объектив зрительной трубы;

12 – цилиндрический уровень при алидаде горизонтального круга;

13 – винт перестановки лимба;

14 – закрепительный винт лимба (слайд 24);

15 – окуляр микроскопа отсчетного устройства;

16 – осветительное зеркало;

17 – отметка высоты инструмента;

18 – буссоль;

19 – вертикальный круг;

20 – визир;

21 – окуляр зрительной трубы;

22 – юстировочный винт;

23 – подставка.

- А сейчас я хочу, чтобы Вы представили каким образом можно измерить угол между двумя направлениями при помощи теодолита. Для начала давайте вспомним, как мы измеряем углы на плоскости при помощи транспортира (ответы учащихся).

- Теперь все эти наши знания мы должны перенести с плоскости тетрадного листа на окружающую нас местность, при этом принцип не должен измениться (слайд 25).

Лекция «Принцип измерения горизонтальных углов»:

- При измерении горизонтальных углов на местности измеряют не углы между сторонами, а их горизонтальные проекции. Для того, чтобы измерить угол достаточно установить угломерный круг так, чтобы его центр находился на ребре двугранного угла, а его плоскость была горизонтальна (слайд 26).

Для наведения на точки местности, фиксирующие направления сторон угла, применяют зрительную трубу. При наблюдении предметов на них наводится вполне определенная точка трубы. Такой точкой является центр сетки нитей, представляющий собою пересечение горизонтальной нити и продолженной вертикальной. Сетка нитей видна в поле зрения трубы и изображена на специальной сеточной диафрагме. Воображаемая прямая, проходящая через оптический центр объектива и центр сетки нитей, называется визирной осью (демонстрация слайдов сопровождается показом на самом теодолите).

- В самом конце нашего сегодняшнего занятия я хотел бы обобщить некоторую полученную информацию о теодолите, как угломерном приборе. Предлагаю нарисовать Вам в своих тетрадях схему классификации теодолитов, которая сложилась к настоящему времени (зарисовка схемы сопровождается комментариями преподавателя).

Лекция «Типы теодолитов» (слайд 27).

Слайд 28.

- Теодолит сегодня - это компактное и легкое устройство. Его можно эксплуатировать практически во всех условиях. Основные области применения современных теодолитов – это прикладная геодезия, астрономия, маркшейдерские работы и строительство.

IV. Итог занятия. Рефлексия.

- Подводя итог нашего занятия я хочу, чтобы Вы ответили письменно на несколько вопросов, которые предложены в опроснике:

- Сегодня я узнал(а)

- Мне было интересно (не интересно)

- Я понял, что

- Меня удивило

- Мне захотелось

- Материал излагался ( не очень понятно или не понятно)

- Спасибо за работу на уроке (слайд 29).

Литература

1.           М.И. Киселёв Д.Ш. Михелёв «Основы геодезии», Москва, «Высшая школа»-2010 г.

2.           Н.Ф. Моргунов «Учебник по геодезии», Москва, «Недра»-2010г.